Ученые из СО РАН создали гибридную систему охлаждения процессоров
Специалисты из Новосибирска разработали способ охлаждения мощных микрочипов с помощью микроканалов и микроструй. Такая система помогает бороться с перегревом в самых горячих точках процессора.
Источник: Новости науки.
МОСКВА, 21 мая. /Новости науки/. Ученые из Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН разработали гибридную технологию водяного охлаждения компьютерных микрочипов. Она сочетает микроканалы и микроструи и может помочь создавать более мощные и компактные процессоры без риска перегрева, говорится в статье, опубликованной в журнале «Известия вузов. Физика».
Современные процессоры становятся мощнее и меньше. Из-за этого они выделяют все больше тепла на небольшой площади. Обычные вентиляторы и радиаторы уже не всегда справляются с такой нагрузкой. По прогнозу IRDS 2022, в 2026 году тепловыделение в микроэлектронике может вырасти еще на 35%.
Главная опасность для микрочипа — так называемые горячие точки. Это участки, где температура быстро растет. Если тепло не отвести вовремя, процессор начинает работать хуже, а затем может выйти из строя.
Сибирские ученые предложили использовать медную пластину с герметичными микроканалами. Она прилегает к чипу, а внутри нее движется вода. Вода не контактирует с электроникой, поэтому система остается безопасной.
Охлаждение идет не только за счет движения жидкости. Вода в микроканалах активно кипит и при этом забирает много тепла. Переход воды в пар требует примерно в 20 раз больше энергии, чем обычный нагрев воды. Поэтому кипение может быстро отводить тепло от поверхности чипа.
Но у такого подхода есть слабое место. При очень сильном нагреве в микроканалах могут появляться паровые пробки и сухие участки. Тогда жидкость хуже касается горячей поверхности, охлаждение резко падает, а температура начинает неконтролируемо расти. Это называют кризисом кипения.
«В системе параллельных одинаковых каналов течет жидкость, в каждом канале одинаковый перепад давления. А теперь представьте, что происходит кипение, это достаточно случайный процесс, и пузырьки неодинаковым образом возникают в разных местах. Объемное газосодержание в момент времени в каждом канале получается разным. Раз оно разное, значит, сопротивление у каждого канала неодинаковое, и через один канал начинает идти больше жидкости, а через другой меньше. Возникает неустойчивость течения», — сказал старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Алишер Шамирзаев.
Чтобы решить эту проблему, исследователи добавили микроструйное охлаждение. Жидкость подается через микроотверстия и тонкими струями направляется на поверхность. Эти струи смывают пар и подают свежую воду к самым горячим участкам.
В итоге микроканалы обеспечивают основной отвод тепла, а микроструи борются с локальным перегревом и мешают появлению сухих пятен. Дополнительно ученые использовали гидрофильный слой на стенках каналов. Он помогает воде равномерно растекаться по поверхности и поддерживать тонкую пленку жидкости.
Разработка может быть полезна для мощных процессоров, серверов и другой вычислительной техники, где важно отводить тепло с очень малой площади. Авторы считают, что такие системы позволят делать устройства компактнее и экономичнее, без массивных радиаторов и больших вентиляторов.
Современные процессоры становятся мощнее и меньше. Из-за этого они выделяют все больше тепла на небольшой площади. Обычные вентиляторы и радиаторы уже не всегда справляются с такой нагрузкой. По прогнозу IRDS 2022, в 2026 году тепловыделение в микроэлектронике может вырасти еще на 35%.
Главная опасность для микрочипа — так называемые горячие точки. Это участки, где температура быстро растет. Если тепло не отвести вовремя, процессор начинает работать хуже, а затем может выйти из строя.
Сибирские ученые предложили использовать медную пластину с герметичными микроканалами. Она прилегает к чипу, а внутри нее движется вода. Вода не контактирует с электроникой, поэтому система остается безопасной.
Охлаждение идет не только за счет движения жидкости. Вода в микроканалах активно кипит и при этом забирает много тепла. Переход воды в пар требует примерно в 20 раз больше энергии, чем обычный нагрев воды. Поэтому кипение может быстро отводить тепло от поверхности чипа.
Но у такого подхода есть слабое место. При очень сильном нагреве в микроканалах могут появляться паровые пробки и сухие участки. Тогда жидкость хуже касается горячей поверхности, охлаждение резко падает, а температура начинает неконтролируемо расти. Это называют кризисом кипения.
«В системе параллельных одинаковых каналов течет жидкость, в каждом канале одинаковый перепад давления. А теперь представьте, что происходит кипение, это достаточно случайный процесс, и пузырьки неодинаковым образом возникают в разных местах. Объемное газосодержание в момент времени в каждом канале получается разным. Раз оно разное, значит, сопротивление у каждого канала неодинаковое, и через один канал начинает идти больше жидкости, а через другой меньше. Возникает неустойчивость течения», — сказал старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса в многофазных системах ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Алишер Шамирзаев.
Чтобы решить эту проблему, исследователи добавили микроструйное охлаждение. Жидкость подается через микроотверстия и тонкими струями направляется на поверхность. Эти струи смывают пар и подают свежую воду к самым горячим участкам.
В итоге микроканалы обеспечивают основной отвод тепла, а микроструи борются с локальным перегревом и мешают появлению сухих пятен. Дополнительно ученые использовали гидрофильный слой на стенках каналов. Он помогает воде равномерно растекаться по поверхности и поддерживать тонкую пленку жидкости.
Разработка может быть полезна для мощных процессоров, серверов и другой вычислительной техники, где важно отводить тепло с очень малой площади. Авторы считают, что такие системы позволят делать устройства компактнее и экономичнее, без массивных радиаторов и больших вентиляторов.
